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Verfahren zur Überwachung der Abmessungen eines
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Gegenstandes Die Erfindung betrifft ein optisches Verfahren zur Überwachung
der Abmessungen eines Gegenstandes, insbesondere der Flanschbreite von Walzprofilen
am Auslauf eines Walzwerks.
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Es gibt optische Verfahren, weche die Bestimmung der Abmessungen von
Gegenständen, insbesondere der Querschnittsabmessungen von Profilen, durch die Messung
von Abständen und allgemein von Winkeln, welche diesen Abständen zugeordnet sind,
ermöglichen. Diese Verfahren beinhalten die Abtastung des Querschnitts durch ein
Feld ausgesandter Strahlen mit Hilfe mindestens eines Deflektors, dem eine Dreh-
bzw. Axialbewegung beaufschlagt wird.
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Seitens der Anmelderin wurde bereits beispielsweise ein Verfahren
in Vorschlag gebracht, bei dem einem Profil eine Strahlung beaufschlagt und mit
Hilfe eines Empfängers der vom Profil zurückgeworfene Teil der Strahlung: erfasst
wird. Der Querschnitt wird mittels eines drehbaren Deflektors abgetastet und es
wird das reflektierte Bündel im Beobachtungsfeld des Empfängers gehalten, indem
die Achsrichtungen von Strahler und Empfänger synchronisiert werden.
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Die mit diesem und ähnlichen Verfahren erzielten Resultate haben sich
als sehr zufriedenstellend erwiesen, so dass hierbei nicht nur die Qualität des
ìWalzerzeugnisses, sondern auch die Arbeitsqualität des Walzwerks kontrolliert werden
konnten.
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Aus wirtschaftlichen Erwägungen einerseits und Gründen der Wirksamkeit
der Kontrolle andererseits wird jedoch eine immer höhere Geschwindigkeit und Genauigkeit
dieser Messungen angestrebt. Nachdem die halzgeschçrindigkeiten stsldig zunehmen,
erfordert die Kontrolle der Erzeugnisse im Produktionsfluss auch immer schnellere
Messungen. Sollen darüberhinaus die Produkte abgelängt werden, so ist es zweckmässig,
diese Messungen über die Länge der ErzeugnXsse hinweg sooft wie nur eben möglich
zu wiederholen, damit die Übergangsstellen von einer richtigen zu einer nichttoleranzhaltigen
Abmessung besser lokalisiert werden können.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eils Verfahren, nach dem sich die
Geschwindigkeit und Genauigkeit vergleichbarer Messungen erhöhen lassen.
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Zur Vermeidung jeglicher Missverständnisse sei darauf hingewiesen,
dass zur Abgrenzung einer Abmessung eine gewisse Anzahl von Punkten hinsichtlich
der jeweiligen Dimension
ausgewählt werden. Im allgemeinen handelt
es sich um zwei Punkte an den Enden der betreffenden Abmessung. Zwei Punktreihen
können jedoch ebenfalls eine Dimension abgrenzen, wobei die Projektion senkrecht
zur Oberfläche, auf welcher der Gegenstand liegt, des Abstandes zwischen irgendeinem
Punkt der ersten Reihe und irgendeinem Punkt der zweiten diese Abmessung darstellen
kann. Dies ist beispielsweise der Fall bei der Flanschbreite eines Profils, WJ die
beiden Punktreihen, welche die Abgrenzung der Dimension ermöglichen, einerseits
aus den Punkten anl oberen Ende des Gurts und andererseits aus den Punkten auf dem
Steg dieses Profils bestehen kennen.
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Das erfindungsgemässe Verfahren, bei dem einerseits eine Strahlung
mittels eines beweglichen Deflektors auf den Gegenstand aufgebracht und der die
zu bestimmenden Abmessungen enthaltende Teil des Umrisses des Gegenstandes abgetastet
und andererseits das vom Gegenstand zurückgeworfene Bünde£ mittels eines zweiten,
ebenfalls bewegiichen Deflektors in die Richtung auf mindestens einen Empfänger
geleitet wird, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass den Deflektoren
unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten beaufschlagt werden; dass die Lage der beiden
Punkte in der Relation zu einer der zu messenden Dimensionen bestimmt wird, und
dass die diesen Punkten relative Abmessung im Wege einer an sich bekannten Rechnung
abgeleitet wird.
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Zweckmässigerweise erfolgt die Bestimmung der Positionen der Def lektoren
zumindest in jedem Augenblick, da die von den genannten zwei Punkten zurückgeworfenen
Strahlenbündel den bzw. die Empfänger sensibilisieren.
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Nach einer Abwandlung der Erfindung werden die vom Gegenstand zurückgeworfenen
Bündel in Richtung auf zwei Empfänger gelenkt, von denen einer durch ein von einem
der beiden eine zu. bestimmende Dimension abgrenzenden Punkte kommenden Bündel und
der andere von dem vom zweiten Punkt zurückgeworfenen Bündel sensibilisiert werden.
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Nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung liegen die Achsen des
Strahlers und des Empfängers bzw. der Empfänger zweckmässigerweise in der gleichen
Ebene. In solchen Fällen, wo die Abmessungen des Querschnitts eines Gegenstands
bestimmt werden sollen, fällt die Ebene, in welcher sich die Achsen des Strahlers
und des Empfängers bzw. der Empfänger befinden, mit der Ebene dieses Querschnitts
zusammen.
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Im Rahmen einer weiteren Abwandlung ist es zweckmässig, als Empfänger
ein optisch-elektronisches Bauteil zu verwenden, dessen Sensibilisierung besonders
hoch ist, damit das vom Gegenstand zurückgeworfene Bündel aufgefangen wird.
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Erfindungsgemäss kann dieser Empfänger ein einfaches optischelektronisches
Bauteil sein wie beispielsweise ein Fotovervielfacher, eine Zener-Diode, eine Schottky-Sperrschicht-Fotodiode
oder eine Silizium-Fotodlode.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, über Triangulierung
die Winkelstellung des die Beweglichkeit der ausgesandten Strahlung bewirkenden
Deflektors mit Hilfe eines aus einer Lichtquelle und einem Empfänger in Form einer
Fotodiodenschaltung bestehenden Hilfssystems zu bestimmen.
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Erfindungsgemäss hat die dem Gegenstand, dessen Abmessung bestimmt
werden soll, beaufschlagte Strahlung die Form eines gerichteten Bündels, beispielsweise
eines Laserbündels,
das vorzugsweise mittels einer Lochscheibe oder
Blende in seinem Querschnitt begrenzt und auf den Gegenstand gerichtet wird.
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Schliessiich ist es nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung
noch besonders zweckmässig, eine Mindestabtastzone zu bestimmen und einerseits die
Abtastung auf die Grenzbereiche dieser Mindestzone sowie andererseits diese Mindestzone
auf die Position des Gegenstandes einzupegeln.
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Die beiliegenden Zeichnungen, die lediglich als Beispiel anzusehen
sind und keinerlei Einschränkung darstellen, sollen dem besseren Verständnis der
vorliegenden Erfindung dienen. Hierin beziehen sich Fig. 1 auf eine Vorrichtung
mit einem Empfänger in Form einer Fotodiode, dessen optische Achse in der Ebene
des Querschnitts des Gegenstandes liegt, dessen Abmessungen überwacht werden sollen,
und Fig. 2 auf eine Vorrichtung mit einem Empfänger in Form von zwei Fotodioden,
deren optische Achsen in der Ebene des Querschnitts des Gegenstandes liegt, dessen
Abmessungen überwacht werden sollen.
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Gemäss Fig. 1 befindet sich das Profil (1), dessen Querschnitt und
insbesondere Flanschbreite (2) bestimmt werden soll, auf einem Rollgang (5). Zum
Zwecke dieser Bestimmung wird eine Messung der Abstände der Punkte (4) und (5) relativ
zum Spiegel (10) durchgeführt, die zwischen den Projektionen dieser Abstände auf
einer senkrecht zur Auflage verlaufenden Linie vorhandene Differenz errechnet und
so die Flanschbreite (2) erhalten.
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Erfindungsgemäss wird ein von der Vorrichtung (6) ausgestrahltes Laserbündel
mittels eines Objektivs (7) auf eine Lochscheibe oder Blende (8) gegeben, die den
Bündelquerschnitt deutlich eingrenzen soll, worauf mittels eines zweiten Objektivs
(9) dieses Bündel auf den Querschnitt des Profils (1) gerichtet wird. Das Laserbündel
erreicht zuerst einen drehbaren Spiegel (10), der um eine senkrecht zur Ebene der
Figur verlaufende Achse dreht. Während der Drehung des Spiegels (10) tastet das
von ihm reflektierte Laserbündel ein Winkelfeld (il) ab, in dem sich die Punkte
(4) und (5), welche die Flanschbreite (2) eingrenzen, befinden. Der vom Querschnitt
zurückgeworfene Teil des Bündels trifft auf einen zweiten Drehspiegel (12), der
ebenfalls um eine senkrecht zur Ebene der Figur verlaufende Achse dreht. Von diesem
Spiegel (12) aus geht das reflektierte Bündel in Richtung auf die Fotodiode (14),
die es nach erfolgter Scharfeinstellung durch das Objektiv (1)) erreicht. Es sei
darauf hingewiesen, dass die Achse des Strahlers (6) und die Achse des Empfängers
(14) in der Ebene des Querschnitts des Profils (1) liegen. Ausserdem stehen die
Drehachsen der Deflektoren (10) und (12) relativ zueinander fest.
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Im Zuge einer Abtastung erreicht das Bündel zunächst den Punkt (4),
sodann den Punkt (5) des Querschnitts, wobei die respektiven Positionen hintereinander
vom Empfänger (14) angepeilt werden, so dass sich anschliessend die Flanschbreite
(2) ableiten lässt.
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Zur Bestimmung der Winkelstellung des Spiegels (9) gelangt ein aus
einer Lichtquelle (16) und einem Empfänger in Form einer Fotodiodenschaltung bestehendes
Hilfssystem zum Einsatz. Die von der Quelle (16) ausgesandte Strahlung wird vom
Objektiv (18) auf den Empfänger (17) gebündelt, den sie
nach dem
Auftreffen auf den doppelseitigen Spiegel (10) erreicht. Durch Triangulierung lässt
sich somit genauestens die flrinkelstellung des Spiegels (10) ermitteln.
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Die Bezugsziffern 1 bis 14 in Fig. 2 bezeichnen die gleichen Bauteile
wie diese Bezugszeichen in Fig. 1. Fig. 2 enthält darüberhinaus noch die Bezugsziffer
(15), die eine zweite Fotodiode bezeichnet.
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Im Zuge einer Abtastung erreicht das Bündel hintereinander die Punkte
(4) und (5), deren Lagen vom Empfänger (14) für Punkt (4) und vom Empfänger (15)
für Punkt (5) erfasst werden.
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Das Hilfssystem (16), (17) und (18) ist in Fig. 2 ebenfalls vorhanden
und spielt hier die gleiche Rolle wie in Fig. 1, d.h. dient zur Erfassung der Winkelstellung
des Spiegels (10).
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Das in Fig. 2 dargestellte System mit zwei Empfängern bietet gegenüber
dem System mit nur einem Empfänger gemäss Fig. 1 gewisse Vorteile.
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Nachdem nämlich der Spiegel (12) langsamer dreht als der Spiegel (10),
ergibt sich, dass zur Ermittlung der die Punkte (4) und (5) betreffenden Daten mehrere
Abtastungen des Spiegels (10) während der langsamen Bewegung des Spiegels (12) von
Position (4) in Position (5) bei Einsatz nur eines Empfängers unerlässlich sind.
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Bei Anordnung der beiden Empfänger (14) und (15) dagegen lassen sich
die entsprechenden Informationen über die Position der Punkte (4) und (5) in nur
einer Abtastung des Spiegels (10) ermitteln. Dieses Merkmal bietet also den Vorteil
einer schnelleren Messung.
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Ausserdem besteht die Möglichkeit, dass sich das Profil während des
unvermeidlichen Zeitabstandes zwischen der Abtastung von Punkt (4) und von Punkt
(5) senkrecht verschiebt, was die Gefahr einer Veränderung der Messgenauigkeit mit
sich bringen würde. Um dieses Risiko so klein wie nur eben mglich zu halten, besteht
Veranlassung, den zeitlichen Abstand zwischen der Peilung der Punkte (4) und (5)
möglichst klein zu halten: auch hier verstärkt sich das Interesse an einer solchen
Erfassung im Zuge einer einzigen Abtastung, d.h. an einem System mit zwei Empfängern.
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Die Erfindung betrifft auch eine besonders vorteilhafte Variante,
bei welcher die Strahler- und Empfängerelemente in einer besonderen Art und Weise
relativ zueinander angeordnet sind.
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Nach dieser Variante erfolgt während der Zeit, da der erste Deflektor
einen der verschiedenen Teile der Kontur eines Gegenstandes abtastet, durch den
anderen Deflektor eine vollständige Abtastung der Gesamtheit dieser verschiedenen
Abschnitte der Objektumrisse, und werden die optischen Elemente relativ zueinander
so angeordnet, dass die von einem der verschiedenen Abschnitte der Kontur des Gegenstandes
zurückgeworfenen Bündel während der Abtastung dieses Teils des Umrisses weitgehend
auf der gleichen Abszisse des linearen Empfängers bleiben.
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Nach einer ersten Ausgestaltung dieser Variante ist für den Fall der
Bestimmung von Querschnittsabmessungen eines Gegenstandes vorgesehen, die Strahlung
aus sendenden optischen Elemente in der Ebene des Querschnitts anzuordnen und empfängerseitig
die Achse, um die herum die Abtastung vor sich geht, und die Richtungsachse des
linearen Empfängers parallel zueinander und so vorzusehen, dass sie die Strahlerebene
in zwei Punkten auf einer zur Ebene des Profilgurtes senkrechten Geraden schneiden.
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Ein besonders zweckmässiges Merkmal besteht darin, dass die Gresse
des Winkels zwischen der Strahlerebene und der von den Empfängerelementen gebildeten
Ebene mit der Abtastachse sowie der Richtungsachse des linearen Empfängers 450 beträgt.
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Eine zweite Ausgestaltung dieser Variante beinhaltet die gleichzeitige
Ausstrahlung von zwei Bündeln, deren Achsen zwischen sich einen bekannten Winkel
bilden, und die Ausrichtung dieser beiden Bündel auf die für die zu bestimmenden
Abmessungen infrage kommenden Punkte in der Weise, dass beim Auftreffen eines dieser
beiden Bündel auf einen der beiden eine Dimension des Gegenstandes begrenzenden
Punkte das zweite Bündel auf dem zweiten Punkt liegt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung dieser Variante wird die Mindestabtastzone
für jeden der verschiedenen Teile der Kontur des Gegenstandes, welche die die zu
bestimmenden Abmessungen begrenzenden Punkte umfasst, bestimmt und einerseits die
Abtastung auf die Grenzbereiche dieser Mindestzone und andererseits diese Mindestzone
auf die Position des Gegenstandes einreguliert.
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Gemäss einer weiteren Ausgestaltung werden die Mindestabtastzonen
so bestimmt, dass sie nebeneinander liegen.
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In solchen Fällen, wo das Objekt von seiner Normallage abweichende
Stellungen einnehmen kann, erfolgt die Bestimmung der Lage des Gegenstandes durch
Triangulierung unter Einsatz eines einen Empfänger und einen Deflektor umfassenden
Hilfssystems.
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Erfindungsgemäss handelt es sich bei dem Hilfsempfänger zweckmässigerweise
um eine Fotodiodenschaltung, welche den Querschnitt des betreffenden Gegenstandes
abbildet, wobei die Lage der Objektränder den Enddioden der belichteten Zone entspricht.
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Die ausgesandte Strahlung hat zweckmässigerweise die Form gerichteter
Bündel, beispielsweise von Laserbündeln, die vorzugsweise mit Hilfe einer Lochscheibe
oder Blende querschnittsmässig begrenzt und mit Hilfe eines Objektivs auf den Gegenstand
gelenkt werden, dessen Abmessungen bestimmt werden sollen.
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Die Ausrichtung des Bündels bzw. der Bündel auf den Gegenstand erfolgt
über variable Entfernungen je nach Abstand zwischen den verschiedenen Teilen des
Objektumrisses mit den die zu bestimmenden Abmessungen begrenzenden Punkten.
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Die beiliegende Fig. 5 dient lediglich als Beispiel ohne jeden einschränkenden
Charakter, um die Erfindung verständlich zu machen, und betrifft ein Profil, dessen
Flanschbreite mittels eines Laserbündels gemessen werden soll.
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Wie aus Fig. 5 ersichtlich, liegt das Profil (1), dessen Flanschbreite
(2) gemessen werden soll, auf einer Unterlage (3). Die Flanschbreite (2) ist begrenzt
durch einen Punkt (4) auf dem oberen Ende des Gurtes und durch einen Punkt (5) auf
dem Steg des Profils (1). Kennt man auf einer Senkrechten zur Auflage ()) die Projektionen
der Abstände der Punkte (4) und (5) relativ zu einem Bezugspunkt, so lässt sich
die Flanschbreite (2) durch Abzug der Projektionen voneinander bestimmen.
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Vom Laserstrahler (6) aus wird ein Bündel auf ein Objektiv (7) gegeben,
das dieses Bündel auf eine Lochscheibe oder Blende (8) richtet. Am Ausgang dieser
Lochscheibe oder Blende wird das Bündel, dessen Querschnitt genau begrenzt ist,
mittels eines Objektivs (9) auf den Punkt (4) gerichtet Das Auftreffen des Bündels
auf diesen Punkt (4) wird durch einen Spiegel (10) sichergestellt, dessen Beweglichkeit
dazu
dazu dient, über das ausgesandte Strahlenbündel Ende des Flansches
sowie einen den Punkt (5) einschliessenden Teil des Stegs abzutasten. Das vom Punkt
(4) zurückgeworfene Bündel wird vom Spiegel (11) aufgefangen, der es auf die Fotodiodenschaltung
(14-15) eines Empfängers (13) gibt, nachdem es ein Fokussierungsobjektiv (12) passiert
hat.
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Während der Spiegel (10) das obere En.le des Gurts langsam abtastet,
erfolgt durch den Spiegel (11) eine schnelle Abtastung der gleichen Zone und sind
die- Emprängerelemente (11), (12), (15), (14-15) so angeordnet, dass die von diesem
oberen Gurtende zurückgeworfenen Strahlenbündel weitgehend auf die gleiche Stelle
(17) der Fotodiodenschaltung (14-15) fallen, so dass die Diode (17) stärker aufleuchtet
als bei anderen Verfahren, da die Dioden (14-15) für gewöhnlich eine rechteckige
Form aufweisen, deren gressere Seite senkrecht zur Achse (14-15) liegt.
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Nach erfolgter Abtastung des oberen Gurtendes tastet das ausgesandte
Strahlenbündel die den Punkt (5) einschliessende Zone des Stegs ab. In gleicher
Weise wie für den Punkt (4) beschrieben fallen die von dem den Punkt (5) umfassenden
Teil des Stegs zurückgeworfenen Bündel weitgehend auf die gleiche Stelle der Fotodiodenschaltung
(14-15), so dass hier ein stärkeres Aufleuchten der Diode (16) bewirkt wird als
bei anderen Verfahren.
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Sind die Positionen der Dioden (16) und (17) sowie der Spiegel (10)
und (li) bekannt, so lässt sich im Wege der Triangulierung die Breite des Flansches
(2) bestimmen.
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Ein linearer Empfänger im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein
Empfänger, dessen eine Abmessung, beispielsweise die Länge, gegenüber einer anderen,
beispielsweise die Breite, gross ist.
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